Tính toán một số loại liên kết thanh thành mỏng tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-3

Chia sẻ: ViPutrajaya2711 ViPutrajaya2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này giới thiệu bài toán tối ưu sử dụng thuật giải di truyền để lựa chọn tiết diện tối ưu cho kết cấu tháp thép thỏa mãn các yêu cầu đề ra và tiết kiệm vật liệu nhất. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng kết hợp với lập trình MATLAB có thể giải quyết các bài toán lớn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tính toán một số loại liên kết thanh thành mỏng tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-3

Tính toán một số loại liên kết thanh thành mỏng tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-3 Calculation procedure forconnections incold-formed member by the Eurocode EN 1993-1-3 Nguyễn Lệ Thủy, Nguyễn Hồng Sơn Tóm tắt 1. Đặt vấn đề Khi thiết kế tháp thép dạng giàn, việc lựa chọn Trong một số trường hợp, việc sử dụng thanh thành mỏng tạo hình nguội mang lại hiệu quả kinh tế so với các loại thanh định hình cán nóng hoặc thanh tiết diện thanh khá phức tạp đặc biệt là các tháp tổ hợp [1].Tuy nhiên, giải pháp cấu tạo và tính toán liên kết các tấm mỏng lại lớn với số lượng lên đến hàng nghìn thanh. Thông có đặc điểm riêng, không giống như đối với việc liên kết các tấm và thanh thường chọn tiết diện sơ bộ (theo các thiết kế thông thường, bởi chiều dày của thép cơ sở không quá 4,0 mm. trước hoặc tính nội lực sơ bộ rồi chọn theo nội lực đó) sau đó kiểm tra và điều chỉnh, quá trình này Bên cạnh đó “Tiêu chuẩn thiết kế - Kết cấu thép” TCVN 5575:2012 của Việt Nam không đề cập đến việc tính toán liên kết trong kết cấu thành mỏng tốn nhiều công sức tính toán và tiết diện chọn tạo hình nguội, các kỹ sư Việt Nam vẫn phải sử dụng tiêu chuẩn nước được có hiệu quả sử dụng chưa cao. Bài báo này ngoài để thiết kế, trong số đó có tiêu chuẩn của châu Âu (EN 1993-1-3), Mỹ giới thiệu bài toán tối ưu sử dụng thuật giải di (AISIS100-07 (2007)), Australian/New Zealand (AS/NZS4600:2005) và Nga truyền để lựa chọn tiết diện tối ưu cho kết cấu (SP 260.1325800.2016). Thấy rằng, bộ tiêu chuẩn thiết kế về kết cấu xây tháp thép thỏa mãn các yêu cầu đề ra và tiết kiệm dựng của châu Âu gồm có 10 phần (từ Phần 0 đến Phần 9), được sử dụng vật liệu nhất. Phương pháp phần tử hữu hạn được ở các nước châu Âu, và một số nước ở châu Á như Singapore, Malaysia, sử dụng kết hợp với lập trình MATLAB có thể giải HongKong. Tại Việt Nam, tiêu chuẩn châu Âu cũng khá quen thuộc đối với quyết các bài toán lớn. các kỹ sư, trong số đó đã có phần được chuyển dịch thành tiêu chuẩn Việt Từ khóa: Thuật giải di truyền, Tối ưu hóa, Tháp thép, Nam (ví dụ, TCVN 9386:2012), việc tìm hiểu tiêu chuẩn Việt Nam để vận Phương pháp hần tử hữu hạn dụng trong tính toán thiết kế kết cấu xây dựng nói chung và thiết kế liên kết cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội nói riêng là cần thiết. Theo Fenster et al (1992) [3], đối với kết cấu làm từ thanh cán nóng, các Abstract liên kết chiếm khoảng 50% tổng giá trị. Tuy nhiên, đối với kết cấu sử dụng In designing steel lattice tower, the selection of bar thanh tạo hình nguội không có lý do gì để nói rằng tỷ lệ này thấp hơn (Yu et sections is complicated, especially for high towers. al, 1993). Các liên kết thanh tạo hình nguội được sử dụng cho: Usually, the selection a preliminary section (according - Liên kết các tấm thép với kết cấu đỡ (tấm mỏng với tấm dày), ví dụ: tấm to the previous designs or calculate the preliminary lợp với xà gồ, tấm tường vớixà gồ tường..; internal force and then choose that internal force) - Liên kết hai hoặc nhiều tấm mỏng với nhau (tấm mỏng - tấm mỏng), ví then check and adjust, this process takes a lot of dụ: liên kết các tấm; computational effort and section use efficiency is not high. This paper introduces the optimal problem using - Liên kết các cấu kiện thanh (tấm mỏng với tấm mỏng hoặc tấm dày với genetic algorithms to select the optimal section for steel tấm dày), ví dụ: cho các kết cấu khung, vì kèo v.v… tower structure to satisfy the requirements and save Theo đó,một số giải pháp liên kết các tấm được áp dụng phổ biến như the most materials. The finite element method used in sau [3]: conjunction with the MATLAB programming can solve - Liên kết tấm mỏng với tấm mỏng, sử dụng: vít tự khoan, vít tự cắt (self- big problems. drilling, self-tapping screws); đinh rút (blind rivets); nút dập (press-joints); liên Key words: Genetic algorithm, Optimization, Steel lattice kết hàn V đơn (single-flare V welds); hàn điểm (spot welds); liên kết dán tower, Finite element method (adhesive bonding). - Liên kết tấm mỏng với tấm dày hoặc tấm mỏng với thanh định hình, sử dụng: vít tự khoan, vít tự cắt; chốt bắn (fired pins); bu lông(bolts); hàn điểm hồ quang (arc spot puddle welds); liên kết dán. - Liên kết tấm dày với tấm dày hoặc tấm dày với thanh định hình, sử dụng: bu lông; hàn hồ quang. Đối với việc liên kết tấm mỏng với tấm mỏng, tấm dày hoặc thanh định ThS. Nguyễn Lệ Thủy hình, có thể phân ra làm hai nhóm sau: PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn Nhóm 1: Liên kết kẹp cơ học (mechanical fasteners) Bộ môn Kết cấu Thép Gỗ, khoa Xây dựng Sử dụng loại bu lông (Bolt) M5-M16; vít tự cắt (self-tapping screw) đường Email: nlthuy.hau@gmail.com kính ϕ6,3 với tấm đệm dày ≥16 mm, đệm đàn hồi dày 1 mm; vít đầu sáu cạnh ĐT: 0903226382 (hexagon head screw)đường kính ϕ6,3 hoặc ϕ6,5 với tấm đệm dày ≥16 mm, đệm đàn hồi dày 1 mm; vít tự khoan (self-drilling screws) đường kính ϕ4,22 hoặc ϕ4,8, ϕ5,3, ϕ6,3; đinh rút (blind rivets) đường kính ϕ4,0, ϕ4,8, ϕ6,4. Ngày nhận bài: Ngoài ra còn có chốt bắn (shot (fired) pins); đai ốc (nuts) và gần đây là nút nối Ngày sửa bài: dập (press-joining) và hệ nút ”Rosette” đã gia tăng họ sản phẩm liên kết kẹp Ngày duyệt đăng: cơ học cho các công trình sử dụng thép thành mỏng. S¬ 37 - 2020 59
KHOA H“C & C«NG NGHª Hình 2. Liên kết hàn góc 1- cấu kiện đỡ; 2 - phần nối hoặc tấm; 3 - miếng đệm khi hàn Hình 3. Hàn điểm hồ Hình 1. Ký hiệu các thông số hình học của vít quang với tấm đệm có đầu dạng nấm và đầu bu lông Nhóm 2: Liên kết hàn (welds) Các dạng phá hoại theo kéo: Phá hoại kéo hoặc cắt đứt Sử dụng phương pháp hàn hồ quang (arc welds), dùng bu lông; Phá hoại nhổ bật bu lông. nguồn nhiệt gây bởi hồ quang điện giữa điện cực và phôi, b) Tính toán liên kết bu lông[3]: đây là phương pháp hàn khá phổ biến và giống như phương (1) Bu lông trong liên kết chịu trượt: pháp hàn dành cho kết cấu thép thông thường; phương pháp Độ bền chịu ép mặt: hàn điện trở (resistance welds), sử dụng điện cực đặc biệt để tạo mối hàn. Fb,Rd = 2,5 αbktfudt/γM2 (1) Theo đó, có một số phương pháp hàn có khác so với khi trong đó: hàn kết cấu thép thông thường, đó là: (1) Hàn điểm (spot αb - giá trị nhỏ nhất của 1,0 hoặc e1/(3d); welds) hay còn gọi là hàn điểm điện trở (resistance spot kt = (0,8t + 1,5)/2,5 đối với 0,75 mm ≤ t ≤ 1,25 mm; welds - RSW), được chia thành phương pháp hàn không kt = 1,0 đối với t > 1,25 mm. nóng chảy (resistance welding) và hàn nóng chảy (fusion welding); (2) Hàn điểm hồ quang (arc spot welds - ASW); (3) Độ bền theo tiết diện thực: Hàn góc (lap welded). Fn,Rd=(1 + 3r(do/u – 0,3))Anetfu/γM2 Thấy rằng, trong thực tế có một số loại liên kết khá phổ nhưng Fn,Rd ≤ Anetfu/γM2 (2) biến, đó là: liên kết bu lông, liên kết vít, liên kết hàn (hàn điểm trong đó: hồ quang, hàn điểm điện trở và hàn góc). Vì thế, trong nội r – [số lượng bu lông trong tiết diện ngang]/[tổng số bu dung bài báo này sẽ đề cập đến tính toán cho một số loại lông trong liên kết]. liên kết này. u = 2e2, nhưng u ≤ p2. 2. Cấu tạo và tính toán Độ bền chịu cắt: 2.1. Liên kết bu lông (Boltconnections) - Đối với bu lông cấp độ bền 4.6, 5.6 và 8.8: a) Khái quát chung Fv,Rd = 0,6fubAs/γM2 (3) Bu lông được chế tạo theo tiêu chuẩn chung về bu lông, - Đối với bu lông cấp độ bền 4.8, 5.8, 6.8 và 10.9: gồm thân bu lông, đai ốc, mũ ê cu và long đen, thân bu lông được tạo ren, lắp ráp trong lỗ khoan ở các tấm của liên kết. Fv,Rd = 0,5fubAs/γM2 (4) Với tấm mỏng, bắt buộc phải sử dụng bu lông có mũ, đầubu Điều kiện: Fv,Rd ≥ 1,2SFb,Rd hoặc SFv,Rd ≥ 1,2Fn,Rd lông hình lục giác. Đối với tiết diện thành mỏng, đường kính (2) Bu lông trong liên kết chịu kéo: bu lông thường là M5 đến M16. Cấp độ bền phổ biến là 8.8 Độ bền nhổ: Độ bền nhổ Fp,Rd được xác định bằng thực hoặc 10.9. nghiệm. Bu lông được sử dụng cho các liên kết trong các kết cấu Độ bền rút: Không dành cho bu lông. khung thép và khung thép thành mỏng tạo hình nguội, và để liên kết xà gồ với xà ngang hoặc xà gồ với xà gồ bằng liên Độ bền chịu kéo: kết chồng. Ft,Rd = 0,9fubAs/γM2 (5) Các thí nghiệm minh chứng các loại phá hoại cơ bản sau Điều kiện: Ft,Rd ≥ SFp,Rd đây đối với thép thành mỏng liên kết bu lông làm việc chịu Phạm vi áp dụng: cắt và chịu kéo: e1 ≥ 1,0do; p1 ≥ 3do; 3mm > t ≥ 0,75mm Các dạng phá hoại theo cắt: Cắt của bu lông hoặc ép e2 ≥ 1,5do; p2 ≥ 3do. dập; Ép mặt (chảy) và/hoặc đứt vật liệu mỏng hơn. Khi cả hai tấm vật liệu đều mỏng, chảy của cả hai tấm có thể xảy ra Kích thước bu lông tối thiểu M6. cùng với nghiêng của bu lông; Xé rách tấm ở tiết diện thực; Cấp độ bền bu lông 4.6 - 10.9, fu ≤ 550 N/mm2. Kết thúc phá hoại bởi cắt vật liệu mỏng; 60 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
(a - liên kết tấm đơn (∑t = t); b - liên kết hai tấm (∑t = t1 + t2); c - liên kết một tấm có sử dụng long đen hàn) Hình 4. Hàn điểm hồ quang Đối với liên kết bằng bu lông M12 và M14 khi đường kính Các dạng phá hoại của các liên kết vít chịu cắt tương lỗ khoan vượt quá đường kính bu lông 2 mm, các khuyến tự như các liên kết bu lông. Tuy nhiên, do thực tế là các vật nghị được dẫn ra trong EN 1993-1-8. liệu được ghép nối thường mỏng (hoặc ít nhất một trong các 2.2. Liên kết vít phần được liên kết là mỏng), thường không bị phá hoại khi cắt. Ép mặt, kéo, xé rách hoặc cắt vật liệu được liên kết bằng a) Khái quát chung ốc vít và làm việc chịu cắt là dạng phá hoại có thể. Ngoài ra, Vít có hai loại chính: vít tự khía ren (self-tapping screw) việc nghiêng và nhổ bật ra khỏi bản ghép có thể xảy ra. và vít tự khoan (self-drilling screws). Hầu hết các vít có vòng Trong những vấn đề liên quan đến ứng xử khi chịu kéo, đệm để cải thiện khả năng chịu tải và để tạo bề mặt kín. Đôi so với các liên kết được bắt vít, có ba dạng phá hoại bổ sung khi chúng có chụp nhựa để chống ăn mòn. đặc trưng cho các liên kết vít, đó là: (1) nhổ bật (pull-out), Vít tự khía ren. Chúng được phân ra làm hai nhóm, nhóm (2) kéo đứt (pull-over) và biến dạng của vật liệu mỏng hơn vít tự tạo ren (thread-forming) và nhóm vít tự cắt ren (thread- (distortion of thinner material). cutting). Các dạng phá hoại của liên kết ốc vít khi chịu kéo là Đối với loại ren cho vít tự tạo ren (Yu et al, 1993), chia không dễ hiểu. Thông thường, sự phá hoại thường xảy ra thành ba loại: Loại A được sử dụng để bắt chặt các tấm mỏng cùng với sự kết hợp của hai hoặc thậm chí ba dạng. Các ý với tấm mỏng. Loại B được sử dụng để cố định vào các bản kiến bổ sung sau đây có thể hữu ích cho người đọc: thép có độ dày lớn hơn 2 mm. Loại C thường sử dụng để cố (a) Phá hoại kéo của chính thân vít. Dạng phá hoại này định vào các bản thép mỏng có chiều dày tới 4 mm. Vít tự tạo chỉ có khả năng xảy ra khi tấm quá dày hoặc khi sử dụng ốc ren thường được chế tạo từ thép các bon (mạ kẽm để chống vít không phù hợp hoặc bị lỗi; ăn mòn) hoặc thép không gỉ. (b) Nhổ bật ốc vít. Dạng phá hoại này có thể xảy ra khi Đối với vít tự cắt ren. Có các rãnh ở thân, kết hợp đầu vít cấu kiện gối đỡ không đủ dày hoặc khi không có đủ sự tham được làm thon nhọn có một hoặc nhiều cạnh cắt và khoang gia chịu lực của phần ren; hổng. Chúng được sử dụng để bắt chặt vào các tấm kim loại cơ sở dày hơn. Độ bền chống nới lỏng của vít tự cắt ren (c) Kéo đứt tấm. Dạng phá hoại này làm xé rách vùng tấm thường không cao như đối với các vít tự tạo ren. Vít tự cắt bao quanh phần ren ở đầu của tấm đệm (long đen); ren được chế tạo từ thép cácbon cứng, thường được mạ (d) Kéo ngang tấm. Ở đây, các tấm bị vặn (distortion) đủ kẽm để chống ăn mòn. để kéo ngang từ phía dưới của ốc vít và tấm đệm. Đây là Vít tự khoan. Vít tự tạo lỗ khoan của riêng mình và tạo dạng phá hoại khá phổ biến và luôn đi kèm với một lượng thành các ren phù hợp với ren của vít. Chúng có loại có vặn tấm đáng kể và cũng có thể là vặn tấm đệm. Chính vì đường kính mũi khoan bằng đường kính thân (sử dụng cho điều này và dạng phá hoại tiếp theo mà hình dạng tấm bắt các liên kết tấm mỏng với tấm dày) và loại có đường kính mũi đầu trở thành quan trọng; khoan nhỏ hơn đường kính thân (sử dụng cho các liên kết (e) Vặn toàn bộ tấm. Dạng phá hoại này gần như hoàn tấm mỏng với tấm mỏng). Vít tự khoan thường được chế tạo toàn là một chức năng của hình dạng tấm chứ không phải là từ thép các bon được xử lý nhiệt (mạ kẽm để bảo vệ chống ốc vít và ở một mức độ nào đó, dạng này có mặt trong hầu ăn mòn) hoặc từ thép không gỉ (với điểm khoan bằng thép hết các thí nghiệm về độ bền của ốc vít. Không rõ ràng cho các bon và mạ kẽm). việc xác định giới hạn sử dụng hoặc giới hạn phá hoại cho Phần đầu của vít dạng nấm có rãnh (rãnh chữ thập, rãnh trường hợp này. Đánh giá này đa phần do việc quyết định hình vuông): Phần rãnh giúp các dụng cụ chuyên dụng như của người thực hiện các lần thí nghiệm. tua vít dễ dàng xoay đinh vít. Phần khe rãnh chữ thập có góc b) Tính toán vít tự cắt[3]: trong tròn (được phát minh bởi Pozidriv), giúp việc xoay phần (1) Vít tự cắt trong các liên kết chịu trượt: đầu vít dễ dàng bởi khó bị bung ra. Độ bền chịu ép mặt: Phần đầu hình lục giác: Loại đinh vít có đầu mũ hình lục Fb,Rd = αfudt/γM2 (6) giác dễ dàng sử dụng các thiết bị chuyên dụng để xoay vít. S¬ 37 - 2020 61
KHOA H“C & C«NG NGHª 1- cấu kiện đỡ; Hình 6. Các ký hiệu [3] Hình 7. Liên kết vít của tôn 2 - phần nối hoặc tấm đặt lên xà gồ Hình 5. Hàn điểm hồ quang kéo dài trong đó: α được lấy dưới dạng sau: quốc gia. Giá trị khuyến nghị γM2 = 1,25. Nếu t = t1 thì α =3,2 t / d nhưng α ≤ 2,1; b) Tính toán liên kết hàn góc[3] Nếu t1≥ 2,5t và t < 1,0mm thì α =3,2 t / d nhưng α ≤ 2,1; Độ bền thiết kế Fw,Rd của liên kết hàn góc được xác định Nếu t1≥ 2,5t và t ≥ 1,0mm thì α = 2,1; như sau: Nếu t < t1 ≤ 2,5t thì α lấy theo nội suy tuyến tính. - Đối với đường hàn góc cạnh: Độ bền của tiết diện thực: tL w,s (0,9 − 0,45L w,s / b)fu / γM2 với Lw,s≤ b Fw,Rd = (8) Fn,Rd = Anetfu/γM2 (7) Fw,Rd 0,45tbfu / γM2 với Lw,s> b = (9) Độ bền chịu cắt. Độ bền chịu cắt Fv,Rd xác định bằng thực - Đối với đường hàn góc đầu: nghiệm Fv,Rd = Fv,Rk/γM2. Fw,Rd =−tL w,e (1 0,3L w,e / b)fu / γM2 [với một đường hàn và Điều kiện: Fv,Rd ≥ 1,2Fb,Rd hoặc SFv,Rd ≥ 1,2Fn,Rd Lw,s≤ b] (10) (2) Vít trong liên kết chịu kéo: trong đó: Độ bền nhổ: b - chiều rộng phần hoặc tấm được liên kết (Hình 2.2); - Khi chịu tải trọng tĩnh: Fp,Rd = dwtfu/γM2 Lw,e, Lw,s - chiều dài thiết kế của đường hàn góc đầu và - Khi chịu tải trọng gió và tổ hợp tải trọng gió và tải trọng góc cạnh (Hình 2); tĩnh: Fp,Rd = 0,5dwtfu/γM2 Nếu trong một liên kết, sử dụng tổ hợp các đường hàn Độ bền khi rút: góc cạnh và góc đầu, độ bền tổng cộng của nó cần được xác định như tổng độ bền của đường hàn góc cạnh và góc đầu. Nếu tsup/s 4 mm. theo EN 1993-1-1. Yêu cầu về kích thước đối với hàn điểm hồ quang: Kích thước của liên kết hàn cần được chọn sao cho độ (1) Hàn điểm hồ quang cần có đường kính trong ds không bền của liên kết được xác định bởi chiều dày của tấm được nhỏ hơn 10 mm. liên kết chứ không phải bởi đường hàn. (2) Nếu chiều dày tấm thép dưới 0,7 mm thì cần sử dụng Khi tính toán độ bền của liên kết hàn góc, hệ số riêng miếng đệm. γM được lấy bằng γM2. Giá trị γM2 được dẫn ra trong Phụ lục 62 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
Hình 8. Liên kết bu lông giữa xà gồ - xà Hình 9. Liên kết hàn một phía của liên kết ngang thông qua con bọ ghép chồng dải thép và bản mã Hình 10. Liên kết hàn điểm hồ quang Hình 11. Liên kết hàn điểm điện trở (3) Khoảng cách từ vị trí điểm hàn đến đầu và mép tấm cần lấy như sau: =Fw,Rd 1,5dp ∑ tfu / γM2 (12) (i) khoảng cách tối thiểu được lấy song song với phương truyền lực, tính từ tâm của điểm hàn đến mép gần nhất của Nếu 18(420 / fu )0,5 < dp /∑ t < 30(420 / fu )0,5 thì điểm hàn liền kề hoặc đến mép của tấm được nối mà lực đặt ( ) 2 vào nó, cần không nhỏ hơn giá trị emin, được xác= định bằng Fw,Rd 27(420 / fu )0,5 ∑ t fu / γM2 (13) cách sau: F emin = 1,8 w,R d khi fu/fy< 1,15 Nếu dp / ∑ t ≥ 30(420 / fu )0,5 thì tfu / γM2 Fw,R d F= w,Rd ∑ 0,9dp t × fu / γM2 (14) emin = 2,1 khi fu/fy ≥ 1,15 ở đây dp được xác định như sau: tfu / γM2 Đường kính trong ds của điểm hàn (xem Hình 4) được xác định: = ds 0,7dw − 1,5∑ t nhưng ds≥ 0,55dw (ii) khoảng cách tối thiểu từ tâm của điểm hàn tròn đến mép của tấm được liên kết theo phương bất kỳ của lực, cần trong đó: dw - đường kính nhìn thấy của điểm hàn hồ không nhỏ hơn 1,5dw, trong đó dw - đường kính nhìn thấy của quang (xem Hình 4). điểm hàn (Hình 3). Đường kính ngoài hữu hiệu vùng chảy dp của điểm hàn (iii) khoảng cách thông thủy tối thiểu giữa điểm hàn ô van được xác định như sau: và mép tấm theo phương bất kỳ của lực cần không nhỏ hơn - Đối với liên kết một tấm hoặc phần tử với chiều dày t: 1,0dw. d = d - t (15) p w b) Tính toán liên kết hàn điểm hồ quang[3] - Đối với liên kết một số tấm hoặc phần tử với tổng chiều Độ bền chịu cắt thiết kế Fw,Rd của điểm hàn tròn được xác dày ∑t định như sau: d= d w − 2∑ t (16) p ( π / 4)d2s × 0,625fuw / γM2 Fw,Rd = (11) Độ bền chịu cắt thiết kế Fw,Rd của điểm hàn ô van được trong đó: fu,w - cường độ tức thời của vật liệu que hàn xác định như sau: điện; Nhưng Fw,Rd không được vượt quá giá trị độ bền sau: ( π / 4)d2s + L w ds  × 0,625fuw / γM2 (17) Fw,Rd = Nhưng Fw,Rd không được vượt quá giá trị độ bền theo Nếu dp / ∑ t ≤ 18(420 / fu )0,5 thì công thức: ( 0,5L w + 1,67dp ) ∑ tfu / γM2 (18) Fw,Rd = S¬ 37 - 2020 63
KHOA H“C & C«NG NGHª trong đó: Lw - chiều dài điểm hàn ô van (như ở Hình 5). t - chiều dày của tấm mỏng nhất được liên kết, mm; 2.5. Liên kết hàn điện trở t1 - chiều dày của tấm dày nhất được liên kết, mm; a) Khái quát chung e1, e2 và p1, p2 – xem Hình 6. Hàn điểm (Spot Welds) hay còn gọi là hàn điểm điện trở 3. Ví dụ tính toán (Resistance Spot Welds - RSW) là loại hàn đặc thù trong các cấu kiện thành mỏng, dùng để liên kết tấm mỏng với nhau. Dưới đây, nhóm tác giả thực hiện một số ví dụ tính toán Khi hàn, các tấm mỏng được ép chồng lên nhau và được nhằm minh họa trình tự tính, các số liệu đầu vào của ví dụ hàn trên từng điểm riêng biệt. Các tấm mỏng được ép lại với được trích dẫn từ tài liệu [2]. nhau bằng hai điện cực, tiếp đó nung nóng chỗ tiếp xúc của 3.1. Liên kết vít giữa tôn và xà gồ [2] chi tiết hàn đạt đến mức làm chảy một lớp mỏng trên bề mặt Xác định độ bền thiết kế của liên kết vít giữa tôn và xà điểm tiếp xúc, còn khu vực liền kề đó thì nằm trong trạng thái gồ, như chỉ ra ở Hình 7. Vật liệu tôn có chiều dày thép cơ sở dẻo, cuối cùng ngắt điện, ép hai điện cực lại và liên kết hàn t = 0,6mm, mác thép S250 GD+Z có fy = 250 N/mm2và fu = tạo thành. 330N/mm2. Hàn điểm thường được thực hiện trên những máy hàn Vật liệu xà gồ có chiều dày cơ bản t = 2,5mm, S350 chuyên dụng, nó có thể là máy hàn một điểm hoặc nhiều GD+Z có fy = 350N/mm2 và fu = 420N/mm2. điểm, máy hàn cố định hoặc di động, có truyền dẫn tạo lực Vít có đường kính d = 4,8 mm, phần long đen có đường bằng bàn đạp hoặc bằng cơ khí hóa, tự động hoặc bán tự kính dw = 16 mm và Fv,Rd = 5,2 kN; Ft,Rd = 5,1kN. động. Theo đó, phương pháp hàn gồm có: hàn điện trở hay còn gọi là hàn không nóng chảy (resistance welding) và hàn Vị trí vít xem Hình 7. nóng chảy (fusion welding). Khoảng cách trọng tâm của các đinh vít: p1 = 36mm > 3d. Hàn điểm được sử dụng cho vật liệu thép cơ sở cán nóng Khoảng cách trọng tâm của đinh vít đến đầu tấm: hoặc mạ kẽm với chiều dày tới 4 mm, phần mỏng hơn được e1 = 36mm > 3d. hàn có chiều dày không lớn hơn 3 mm. Độ bền chịu kéo: Độ bền chịu kéo cần phải tính toán đối b) Tính toán liên kết hàn điểm[3] với độ bền nhổ, độ bền khi rút và độ bền kéo của đinh vít. Độ bền thiết kế Fv,Rd của điểm hàn chịu cắt được xác a) Độ bền nhổ (vít chịu tải trọng gió) định theo các công thức dưới đây. Theo đó, thừa nhận các Fp,Rd = 0,5xdwxtxfu / γM2 ký hiệu sau: = 0,5x16x0,6x330/1,25 = 1,27 kN. Để xác định độ bền của hàn điểm, hệ số riêng γM được lấy bằng γM2. Giá trị γM2 được dẫn ra trong Phụ lục quốc gia. b) Độ bền khi rút Giá trị khuyến nghị γM2 = 1,25. Fo,Rd = 0,65xdxtsupxfu,sup / γM2 Điểm hàn trong liên kết chịu trượt. = 0,65x4,8x2,5x420/1,25 = 2,62 kN. Độ bền chịu ép mặt và dật đứt: c) Độ bền kéo của đinh vít Nếu t ≤ t1≤ 2,5t Xem rằng, một tấm tôn được cố định với cấu kiện xà gồ bởi vít có:Ft,Rd ≥ Fp,Rd thì Ftb,Rd ≥ 2,7 tds fu / γM2 [trong đó t tính bằng mm] Độ bền chịu kéo do nhà sản xuất thử nghiệm đối với vít, Nếu t1> 2,5t Ft,Rd= 5,0 kN > Fp,Rd = 1,27 kN, do đó vít phù hợp. Độ bền = thì Ftb,Rd 2,7 tds fu / γM2 nhưng Ftb,Rd ≤ 0,7ds2 fu / γM2 và chịu kéo của vít được lấy đối với độ bền nhổ của lỗ đinh trong Ftb,Rd ≤ 3,1tds fu / γM2 liên kết. Độ bền của mép phần tử chịu cắt đứt: Độ bền chịu ép mặt: Fe,Rd 1,4te1fu / γM2 = t = 0,6 mm, t1 = 2,5 mm. Fn,Rd A net fu / γM2 Độ bền của tiết diện thực:= t1/t = 4,17, do đó nội suy tuyến tính cần áp dụng để xác định α. π 2 = Độ bền chịu cắt: Fv,Rd ds fu / γM2 Bởi vì: 4 Điều kiện: Fv,Rd≥ 1,25Ftb,Rd hoặc Fv,Rd≥ 1,25Fe,Rd t1 ≥ 2,5t và t < 1,0 mm: α =3,2 t / d nhưng a ≤ 2,1. t1 = 2,5mm > 2,5x0,6 mm = 1,5 mm, t = 0,6 mm < 1,0 mm. hoặc ∑ Fv,Rd ≥ 1,25Fn,Rd Phạm vi áp dụng: d 3,2 0,6 / 4,8 → α =3,2 t /= = 1,13 ≤ 2,1 , 2ds≤ e1≤ 6ds 3ds ≤ p1≤ 8ds sử dụng α = 1,13. e2≤ 4ds 3ds≤ p2≤ 6ds Fb,Rd = αfudt/γM2 Đường kính trong ds của điểm hàn được xác định bằng = 1,13x330 N/mm2x4,8 mmx0,6 mm/1,25 = 0,86 kN/vít. công thức sau: Độ bền chịu cắt của vít: - Khi hàn nóng chảy: ds = 0,5t + 5mm Fv,Rd = Fv,Rk/γM2 = 5,2 kN/1,25 = 4,16 kN. - Khi hàn điện trở: ds = 5 t [trong đó t tính bằng mm] Fv,Rd> 1,2Fb,Rd = 1,2x0,86 kN = 1,03 kN/vít. Giá trị ds của điểm hàn trong điều kiện thực cần được Thí nghiệm của nhà sản xuất đối với độ bền cắt của vít là kiểm tra về chịu cắt bằng thực nghiệm. Fv,Rd = 4,16kN > 1,03kN, do đó vít phù hợp. Danh mục các ký hiệu: Nhận xét: Độ bền cắt của liên kết được lấy theo độ bền Anet - diện tích thực của tiết diện ngang tấm được liên kết; chịu ép mặt = 1,03kN. Độ bền kéo của liên kết được lấy theo độ bền nhổ = 1,27kN. nw - số lượng các điểm hàn trong một liên kết; 64 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
3.2. Liên kết bu lông giữa xà gồ và xà [2] EN 1993-1-3 cũng quy định rằng, độ bền chịu kéo cần Xác định độ bền thiết kế của liên kết bu lông giữa xà phải giới hạn bởi độ bền chịu nhổ bật. Như thế, cường độ gồ và xà, như chỉ ra ở Hình 8, dưới tác động của gió theo của mối nối bu lông chống lại việc cánh dưới của xà gồ bị bật phương dọc và ngang nhà. khỏi đầu bu lông.Độ bền chịu nhổ bật Fp.Ed không được tính toán và cần xác định bằng thí nghiệm. a) Gió tác động theo phương dọc nhà Như thế, ở đây có thể kết luận rằng độ bền chịu kéo là Hệ đỡ mái kim loại của nhà dùng xà gồ tiết diện chữ Z 48,6 kN, còn việc thử nghiệm độ bền nhổ bật chỉ là yêu cầu cán nguội, khi gió tác động theo phương dọc nhà lên tường thêm (nếu cần). đầu hồi, hệ kết cấu chung của nhà chịu tác động của tải trọng gió. Giả định rằng tải trọng gió truyền dọc theo hệ khung 3.3. Liên kết hàn dùng đường hàn góc [2] thông qua hệ giằng ở nhịp. Nếu xà gồ là cấu kiện một nhịp, Kiểm tra độ bền thiết kế của liên kết hàn một phía của bản tấm mái đặt trên xà cần yêu cầu phải truyền lực. Hình 8 chỉ thép sử dụng liên kết ghép chồng dải thép dày t = 1,0 mm và ra liên kết xà ở nhịp đơn điển hình. bản mã dày t1 = 3,0 mm, liên kết hàn chịu lực P = 30 kN, như Trong trường hợp liên kết xà gồ - xà ngang làm việc chịu chỉ ra ở Hình 9. Với vật liệu thép có fu = 420 N/mm2. Để bảo cắt dưới tác động của tải trọng theo phương gió dọc. đảm rằng, độ bền của liên kết chi phối bởi ép mặt của các tấm thép, chiều cao đường hàn lấy bằng chiều dày của dải Số liệu tính toán: thép, t = 1,0 mm. Phần mối nối: (Hình 9) Sử dụng thép mác S320 GD + Z, có fyb = 320 N/mm2 và Độ bền thiết kế của liên kết hàn: fu = 390 N/mm2. Lw,s = 40 mm < b = 80 mm Chiều dày thép làm xà gồ là 1,5mm. Chiều dày tấm kê (con bọ) là 2,0 mm. Lw,Rd = tLw,s(0,9 – 0,45Lw,s/b)fu/γM2 Bu lông cấp độ bền 8.8, có đường kính 12 mm; =1,0x40x(0,9-0,45x40/80)x420/1,25/1000 = 9,07 kN 2 As = 84,3 mm ; fub = 800 N/mm . 2 Tổng độ bền của liên kết hàn, cho hai phía của đường hàn góc: Vị trí bu lông: Fw.Rd = 2x9,07 kN/liên kết hàn = 18,14 kN < P = 30 kN. Khoảng cách tối thiểu từ trọng tâm lỗ đến đầu: Để đóng góp vào độ bền của liên kết hàn, bổ sung đường e1 = 1,5d = 18 mm. hàn góc đầu với độ bền được nâng lên: Độ bền chịu ép mặt: Fw,Rd = tLw,e(1 - 0,3Lw,e/b)fu/γM2 Fb,Rd = 2,5xαbxktxfuxdxt / γM2 = 1,0x80x(1 - 0,3x80/80)x420/1,25 = 18,82 kN. =2,5x0,5x1x390x12x1,5/1,25/1000 = 7,02 kN/ bu lông Tổng độ bền của liên kết hàn góc đầu và góc cạnh trong trong đó: trường hợp này: kt = 1,0 cho t > 1,25 mm. ∑Fw.Rd = 18,14 kN + 18,82 kN ≅ 37 kN αb = min(1, e1/(3d)) = min(1, 18/(3x12) = min(1, 0,5) = 0,5 Như thế, lực P = 30 kN 1,5dw= 1,5×20 = 30 mm. xà gồ - xà ngang làm việc chịu kéo cần đủ độ bền để truyền e2 = 35 mm > 1,5dw= 1,5×20 = 30 mm. lực từ xà gồ vào xà ngang. Độ bền chịu cắt thiết kế của điểm hàn: Độ bền chịu kéo của bu lông: π 2 Fu,Rd = 0,9xfubxAs / γM2 =Fw,Rd ds 0,625fuw / γM2 4 = 0,9x800x84,3/1,25 = 48,6 kN/ bu lông. 3,14 × 11,752 0,625 × 475 Liên kết chỉ chứa 1 bu lông cho mỗi xà gồ, theo đó độ bền = × = 25,7 kN/điểm hàn. 4 1,25 × 1000 chịu kéo của liên kết bằng 48,6 kN. S¬ 37 - 2020 65
KHOA H“C & C«NG NGHª Nhưng bên cạnh việc tính toán độ bền thiết kế của tập Độ bền của tiết diện thực: bản thép liên kết, giá trị của chúng cần không lớn hơn độ bền Fn,Rd A net fu / γM2 = giới hạn bởi phần liên kết: dp / ∑ t = 18,5/1,5 = 12,33 ≤ 18(420 / fu )0,5 = 1,0 × 35 × 430 / 1,25 / 1000 = 12,04 kN/điểm hàn = 18×(420/430)0,5 = 17,8. trong đó: diện tích thực được xác định liên quan đến mặt cắt a-a: =Fw,Rd 1,5dp ∑ tfu / γM2 Anet = t(b - 2×ds) = 1,0×(46 - 2×5,5) = 35 mm2. = 1,5 × 18,5 × 1,5 × 430 / 1,25 / 1000 = 14,32 Độ bền chịu cắt: =14,32kN/điểm hàn. π 2 Fv,Rd = ds fu / γM2 Như thế, độ bền giới hạn quyết định bởi độ bền của 4 liên kết. Tổng khả năng chịu lực của liên kết là: 4 điểm hàn 3,14 = × 5,52 × 430 / 1,25 / 1000 = 8,17 kN/điểm hàn ×14,32 kN/điểm hàn = 57,28 kN. 4 Kiểm tra cuối cùng đối với khoảng cách tối thiểu của điểm Kiểm tra điều kiện: hàn đến mép bản thép. Như trong Hình 3.4, tải trọng thiết kế Fv,Rd = 8,17 kN/điểm hàn > 1,25Ftb,Rd = 1,25×5,11 = 6,38 là lực tập trung có Fw,Sd = 30 kN. Do đó, liên kết đảm bảo độ kN/điểm hàn bền chịu lực. hoặc Đối với fu/fy = 430/355 = 1,21 >1,15. Fv,Rd = 8,17 kN/điểm hàn > 1,25Fe,Rd = 1,25×6,26 = 7,82 Như thế e1 = 30 mm > emin = 12,7 mm. kN/điểm hàn trong đó: hoặc Fw,S d e1,min = 2,1 ∑F v,Rd 2 × 8,16 = = 16,34 > 1,25Fn,Rd = 1,25 × 12,04 = 15,05 tfu / γM2 kN/điểm hàn 30000 / 4 Như vậy, tổng độ bền của liên kết quyết định bởi độ bền 2,1× = 30,52 mm = 1,5 × 430 / 1,25 chịu ép mặt, độ bền chịu ép mặt là: e1 = 35 mm > e1,min = 30,52 mm. P ≤ 4 × 5,11 =20,44 kN (với số lượng điểm hàn trong 3.5. Liên kết hàn điểm điện trở [2] liên kết nw = 4). Xác định độ bền của liên kết chịu lực trục như ở Hình 11. Kết luận và kiến nghị Liên kết ghép chồng chịu lực trục sử dụng hàn điểm điện trở, Trên đây đã trình bày cách tính toán một số loại liên kết vật liệu thép mác S355 MC, có fy = 355 N/mm2 và fu = 430 N/ trong kết cấu tạo hình nguội (với chiều dày tấm ≤ 4 mm), đó mm2, chiều dày tấm thép được liên kết t2 = t = 1,0 mm và t1 là liên kết vít, liên kết bu lông và liên kết hàn (gồm hàn điểm = 3,0 mm. Điểm hàn nóng chảy: ds = 0,5t + 5 mm = 0,5×1,0 điện trở, hàn điểm hồ quang và hàn góc); cách tính này có + 5 mm = 5,5 mm. khác khá nhiều so với cách tính toán liên kết của các kết cấu Vị trí điểm hàn: thép thông thường (khi thép có chiều dày tấm > 4mm), điều 2ds = 11 mm < e1 = 13,0 mm < 6ds = 33 mm này được giải thích bởi dạng phá hoại đối với các liên kết thanh thành mỏng khá phức tạp và khó nhận biết. e2 = 13,0 mm < 4ds = 22,0mm Các ví dụ minh họa, dễ dàng vận dụng để tính toán một 3ds = 16,5 mm < p1 = 30 mm < 8ds = 44 mm số liên kết thông dụng dùng cho kết cấu thành mỏng trong 3ds = 16,5 mm < p2 = 20,0mm < 6ds = 33 mm thực tế ở Việt Nam. Độ bền chịu cắt và ép mặt của điểm hàn: Cần có các nghiên cứu tiếp theo cho các loại liên kết Ta có t = 1,0 mm, t1 = 3,0 mm và t1> 2,5t. khác: liên kết đinh rút, chốt bắn.../. Ftb,Rd 2,7 tds fu / γM2 = T¿i lièu tham khÀo = 2,7 × 1 × 5,5 × 430 / 1,25 / 1000 = 5,11 kN/điểm hàn 1. Designers’ Guide to Eurocode 3: Design of Steel Buildings, 2 nhưng Ftb,Rd ≤ 0,7ds fu / γM2 2nd edition, National Annex for EN 1993-1-1 (UK NA to BS EN 1993-1-1). =0,7 × 5,52 × 430 / 1,25 / 1000 =7,28 kN/điểm hàn 2. Dan Dubina, Raffaele Landolfo, Viorel Ungureanu (2012), và Ftb,Rd ≤ 3,1tds fu / γM2 Design of Cold-formed Steel Structures: Eurocode 3: Design of Steel Structures. Part 1-3: Design of cold-formed Steel = 3,1× 5,5 × 430 / 1,25 / 1000 = 5,87 kN/điểm hàn Structures. European Convention for Constructional Steelwork (Editor). Độ bền ở mép phần tử chịu cắt đứt: 3. Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-3: General Fe,Rd 1,4te1fu / γM2 = rules - Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. = 1,4 × 1,0 × 13 × 430 / 1,25 / 1000 = 6,26 kN/điểm hàn 66 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG